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JP5131920B2 - Carbon dioxide immobilization apparatus and method - Google Patents
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Description

本発明は、二酸化炭素を光触媒反応により還元し、蟻酸、ホルムアルデヒド、メタノール等の二酸化炭素還元生成物を生成させて二酸化炭素を固定化する二酸化炭素の固定化装置およびその方法に関する。   The present invention relates to a carbon dioxide immobilization apparatus and method for immobilizing carbon dioxide by reducing carbon dioxide by a photocatalytic reaction to produce carbon dioxide reduction products such as formic acid, formaldehyde, and methanol.

二酸化炭素は、地球温暖化の主因である温室効果ガスとして知られており、その固定化方法や有効利用方法が検討されている。例えば特許文献1では、二酸化炭素を含む水溶液中に光触媒を分散し、該水溶液に紫外光を照射することによって二酸化炭素を還元し、蟻酸、ホルムアルデヒド、メタノール、メタン等を生成させることによって二酸化炭素を固定化する方法が開示されている。   Carbon dioxide is known as a greenhouse gas that is the main cause of global warming, and its immobilization method and effective utilization method are being studied. For example, in Patent Document 1, a photocatalyst is dispersed in an aqueous solution containing carbon dioxide, and carbon dioxide is reduced by irradiating the aqueous solution with ultraviolet light to produce formic acid, formaldehyde, methanol, methane, etc. A method for immobilization is disclosed.

特許文献1の二酸化炭素の還元反応は植物の光合成作用に類似した反応であり、人工光合成によるエネルギー生成法として注目される反応であるが、その反応効率は悪く、収率は極めて低い。前記反応効率を向上させるため、特許文献2および特許文献3では、半導体光触媒成分と二酸化炭素還元触媒成分とからなる複合光触媒が提案されている。
特開昭55−105625号公報 特開2003−275599号公報 特開2004−59507号公報
The reduction reaction of carbon dioxide in Patent Document 1 is a reaction similar to the photosynthetic action of plants, and is a reaction that is attracting attention as an energy generation method by artificial photosynthesis, but its reaction efficiency is poor and the yield is extremely low. In order to improve the reaction efficiency, Patent Document 2 and Patent Document 3 propose a composite photocatalyst composed of a semiconductor photocatalyst component and a carbon dioxide reduction catalyst component.
JP-A-55-105625 JP 2003-275599 A JP 2004-59507 A

前記特許文献2および特許文献3の複合光触媒を用いた二酸化炭素還元方法では、太陽光を用いて二酸化炭素の還元を行っているが、太陽光を利用した反応は時間がかかる上、太陽光を効率よく集光して反応器に光を照射するための集光装置(特許文献2、図2)が必要となるため、反応器の大型化が困難である。   In the carbon dioxide reduction method using the composite photocatalysts of Patent Document 2 and Patent Document 3, the reduction of carbon dioxide is performed using sunlight, but the reaction using sunlight takes time and Since a condensing device (Patent Document 2, FIG. 2) for efficiently condensing and irradiating the reactor with light is required, it is difficult to increase the size of the reactor.

また、特許文献2および特許文献3において、太陽光の代わりに人工光を用いることも考えられるが、前記複合光触媒を用いた反応ではメタノールを生成させるために300℃前後の反応温度が必要であり(特許文献3)、反応器を300℃付近にまで高めるためのエネルギーコストがかかる。   In Patent Document 2 and Patent Document 3, artificial light may be used instead of sunlight, but the reaction using the composite photocatalyst requires a reaction temperature of about 300 ° C. to generate methanol. (Patent Document 3), an energy cost for raising the reactor to around 300 ° C. is required.

本発明の課題は、光触媒による二酸化炭素の還元反応を高効率、且つ低コスト(小エネルギー)で行い、該還元反応によって二酸化炭素還元生成物を生成させて二酸化炭素を固定化する二酸化炭素の固定化装置および二酸化炭素の固定化方法を提供することにある。   An object of the present invention is to fix carbon dioxide by performing a reduction reaction of carbon dioxide by a photocatalyst with high efficiency and low cost (low energy) and generating a carbon dioxide reduction product by the reduction reaction to fix the carbon dioxide. An object of the present invention is to provide a gasification device and a method for immobilizing carbon dioxide.

上記課題を解決するため、本発明の第1の態様に係る二酸化炭素の固定化装置は、反応原料として気体原料と液体原料とが流通されるマイクロ流路を有するマイクロ反応器と、前記マイクロ流路に気体原料を送り込む気体原料送り込み手段と、前記マイクロ流路に液体原料を送り込む液体原料送り込み手段と、前記マイクロ流路の内面に設けられた光触媒の層とを備え、前記気体原料は二酸化炭素であり、前記液体原料は二酸化炭素と反応して有機化合物を生成し得る原料であり、前記気体原料送り込み手段および液体原料送り込み手段は、前記液体原料が前記マイクロ流路の内面に沿って流れ、二酸化炭素が中央部を流れる状態のパイプフローを形成可能に構成されていることを特徴とするものである。   In order to solve the above problems, a carbon dioxide immobilization apparatus according to a first aspect of the present invention includes a microreactor having a microchannel through which a gas source and a liquid source are circulated as a reaction source, and the microstream A gas raw material feeding means for feeding a gas raw material into the path; a liquid raw material feeding means for feeding the liquid raw material into the microchannel; and a photocatalyst layer provided on the inner surface of the microchannel, wherein the gas raw material is carbon dioxide. The liquid material is a material capable of reacting with carbon dioxide to produce an organic compound, the gas material feeding means and the liquid material feeding means, the liquid material flows along the inner surface of the microchannel, It is configured to be capable of forming a pipe flow in a state where carbon dioxide flows through the central portion.

本態様の二酸化炭素の固定化装置は、気体原料である二酸化炭素に対して、液体原料を媒体として光触媒による反応を行い、該二酸化炭素を固定化するものである。前記光触媒による反応は二酸化炭素を還元する反応であり、二酸化炭素から二酸化炭素還元生成物が生成される。すなわち、気体原料である二酸化炭素は二酸化炭素還元生成物として固定化される。   The carbon dioxide immobilization apparatus of this embodiment is a device that performs a reaction with a photocatalyst using a liquid raw material as a medium on carbon dioxide, which is a gas raw material, to fix the carbon dioxide. The reaction by the photocatalyst is a reaction for reducing carbon dioxide, and a carbon dioxide reduction product is generated from carbon dioxide. That is, carbon dioxide, which is a gaseous raw material, is immobilized as a carbon dioxide reduction product.

本発明によれば、反応原料のうち、気体原料である二酸化炭素を利用してパイプフロー(液体原料が前記マイクロ流路の内面に沿って流れ、二酸化炭素が中央部を流れる状態)を形成させ、二酸化炭素が飽和状態で溶け込んだ液体原料を、強制的に光触媒の層の表面近傍に局在させてマイクロ流路を層流状態で通過させて、光触媒反応を行うことができる。このように、マイクロ流路の内面に沿って流れる液体原料を、以下、「筒状液膜流」と称し、パイプフローの中心部を流れる二酸化炭素を、以下、「中央ガス流」と称する場合がある。   According to the present invention, among the reaction raw materials, carbon dioxide, which is a gaseous raw material, is used to form a pipe flow (a state where the liquid raw material flows along the inner surface of the microchannel and the carbon dioxide flows through the central portion). The liquid raw material in which carbon dioxide is dissolved in a saturated state can be forcibly localized near the surface of the photocatalyst layer and passed through the microchannel in a laminar flow state to perform the photocatalytic reaction. In this way, the liquid raw material flowing along the inner surface of the micro flow path is hereinafter referred to as “cylindrical liquid film flow”, and the carbon dioxide flowing through the center of the pipe flow is hereinafter referred to as “central gas flow”. There is.

更に、気体原料である二酸化炭素も光触媒層の近傍で液体原料と接触することになるので、液体原料中に溶け込んだ二酸化炭素が光触媒反応の進行よって消費されても、直ちに中央ガス流から二酸化炭素が液体原料中に溶け込み(補給され)、該液体原料中の二酸化炭素は、前記光触媒反応が進行してもその飽和濃度状態が維持される。したがって、前記液体原料中に溶解した二酸化炭素濃度を、前記マイクロ流路の全長に渡って光触媒層の近傍において常に飽和状態で一定に保つことが可能となり、当該光触媒反応の平衡を、二酸化炭素の還元反応が主体的に進み、二酸化炭素還元生成物の生成量が増える方向に保つことができる。最終的には二酸化炭素の飽和濃度に対応する二酸化炭素還元生成物の生成量になるまで増えて、該光触媒反応は平衡状態になる。
このように、マイクロ流路の全長において且つ光触媒層の近傍において二酸化炭素が飽和濃度にあることによって、当該光触媒反応による二酸化炭素還元生成物の生成量を、効果的に増やすことができる。
Furthermore, since carbon dioxide, which is a gaseous raw material, also comes into contact with the liquid raw material in the vicinity of the photocatalytic layer, even if carbon dioxide dissolved in the liquid raw material is consumed as the photocatalytic reaction proceeds, carbon dioxide is immediately extracted from the central gas stream. Is dissolved (supplemented) in the liquid raw material, and the carbon dioxide in the liquid raw material maintains its saturated concentration state even when the photocatalytic reaction proceeds. Therefore, the concentration of carbon dioxide dissolved in the liquid raw material can be always kept constant in a saturated state in the vicinity of the photocatalyst layer over the entire length of the microchannel, and the equilibrium of the photocatalytic reaction can be maintained. The reduction reaction proceeds mainly, and the production amount of the carbon dioxide reduction product can be kept increasing. Eventually, the photocatalytic reaction reaches an equilibrium state by increasing the amount of carbon dioxide reduction product corresponding to the saturation concentration of carbon dioxide.
Thus, the amount of carbon dioxide reduction products generated by the photocatalytic reaction can be effectively increased by having the carbon dioxide at a saturated concentration in the entire length of the microchannel and in the vicinity of the photocatalyst layer.

このようにして、二酸化炭素と反応して有機化合物を生成し得る液体原料を反応媒体として用い、二酸化炭素の光還元反応を行うので、有機化合物を二酸化炭素還元生成物として高効率で二酸化炭素を固定化することができる。例えば、二酸化炭素と反応して有機化合物を生成し得る液体原料として水を用いる場合、蟻酸、ホルムアルデヒド、メタノール、又はメタンを二酸化炭素還元生成物として、二酸化炭素を固定化することができる。   In this way, a liquid raw material that can react with carbon dioxide to produce an organic compound is used as a reaction medium, and the photoreduction reaction of carbon dioxide is performed. Therefore, carbon dioxide is efficiently produced using the organic compound as a carbon dioxide reduction product. Can be immobilized. For example, when water is used as a liquid raw material that can react with carbon dioxide to produce an organic compound, carbon dioxide can be immobilized using formic acid, formaldehyde, methanol, or methane as a carbon dioxide reduction product.

本態様の二酸化炭素の固定化装置による二酸化炭素の固定化反応について、具体例を挙げて説明する。以下、二酸化炭素と反応して有機化合物を生成し得る液体原料として水(HO)を用いる場合について説明する。 The carbon dioxide immobilization reaction by the carbon dioxide immobilization apparatus of this embodiment will be described with a specific example. Hereinafter, a case where water (H 2 O) is used as a liquid raw material that can react with carbon dioxide to produce an organic compound will be described.

二酸化炭素の光還元反応は、一般的に以下の(1)式〜(5)式に示されるような多電子還元反応によって説明される。   The photoreduction reaction of carbon dioxide is generally explained by a multi-electron reduction reaction as shown in the following formulas (1) to (5).

Figure 0005131920
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これらの反応機構の詳細は明らかになっていないが、光触媒の固体表面において、直接的に(1)式〜(5)式に示されるような還元のメカニズムが考えられる。 Although details of these reaction mechanisms are not clarified, a reduction mechanism as shown in the formulas (1) to (5) can be considered directly on the solid surface of the photocatalyst.

ここで、光触媒反応は逆反応を伴う反応であるため、二酸化炭素と反応して生成した有機化合物が反応系内(液体原料の筒状液膜流中)に存在すると、還元反応の逆反応(酸化反応)により、生成した有機化合物が二酸化炭素に戻る反応が起こる。しかし、筒状液膜流と中央ガス流からなるパイプフローが形成されていると、前記液体原料中で二酸化炭素と反応して生成した有機化合物のうち、蒸気圧が高い、または液体原料への溶解度が低い有機化合物(以下、高蒸気圧または低溶解度の有機化合物と称する場合がある)は、前記筒状液膜流中から前記中央ガス流中へと移動する(図1を参照)。   Here, since the photocatalytic reaction is a reaction involving a reverse reaction, if the organic compound produced by the reaction with carbon dioxide is present in the reaction system (in the cylindrical liquid film flow of the liquid raw material), the reverse reaction of the reduction reaction ( Oxidation reaction) causes the produced organic compound to return to carbon dioxide. However, when a pipe flow consisting of a cylindrical liquid film flow and a central gas flow is formed, among the organic compounds produced by reacting with carbon dioxide in the liquid raw material, the vapor pressure is high, or Organic compounds with low solubility (hereinafter sometimes referred to as high vapor pressure or low solubility organic compounds) move from the cylindrical liquid film flow into the central gas flow (see FIG. 1).

そして、前記高蒸気圧または低溶解度の有機化合物が前記中央ガス流中へ移動すると共に、気体原料である二酸化炭素が筒状液膜流中に移動し、当該筒状液膜流(液体原料)中の二酸化炭素濃度は、図1のグラフに示されるように、マイクロ流路の流路長の全長に渡って一定の飽和濃度に保たれる。
一方、パイプフローを形成させず、二酸化炭素で飽和した液体原料をマイクロリアクターに流通させた場合(パイプフローなしの場合)には、液体原料中の二酸化炭素濃度は、マイクロ流路を通過して反応が進行するにしたがって減少する。
Then, the high vapor pressure or low solubility organic compound moves into the central gas flow, and carbon dioxide, which is a gaseous raw material, moves into the cylindrical liquid film flow, and the cylindrical liquid film flow (liquid raw material) As shown in the graph of FIG. 1, the carbon dioxide concentration therein is maintained at a constant saturation concentration over the entire length of the channel length of the microchannel.
On the other hand, when a liquid material saturated with carbon dioxide is circulated through the microreactor (without pipe flow) without forming a pipe flow, the carbon dioxide concentration in the liquid material passes through the microchannel. It decreases as the reaction proceeds.

なお、蒸気圧が低い有機化合物や液体原料への溶解度が高い有機化合物は、前記筒状液膜流中に残り易く、そのまま有機化合物の生成物として得られる場合や、続いて起こる光触媒反応によって他の有機化合物を生成する場合や、逆反応によって消滅する場合がある。   An organic compound having a low vapor pressure or an organic compound having a high solubility in a liquid raw material tends to remain in the cylindrical liquid film flow, and can be obtained as it is as a product of the organic compound or by a subsequent photocatalytic reaction. In some cases, the organic compound is generated or disappears by a reverse reaction.

また、蒸気圧が「高い」、または蒸気圧が「低い」とは、蒸気圧の大きさを相対的に表し、蒸気圧が「高い」有機化合物は、蒸気圧が「低い」有機化合物よりも気体になり易いことに基づく説明であり、具体的な蒸気圧の値は限定されない。   In addition, the vapor pressure is “high” or the vapor pressure is “low” means that the vapor pressure is relatively high, and an organic compound having a high vapor pressure is higher than an organic compound having a low vapor pressure. The explanation is based on the tendency to become gas, and the specific value of the vapor pressure is not limited.

図2は、液体原料として水(HO)を用いた場合の反応を示す図である。液体原料として水(HO)を用いた場合に生成する有機化合物は、蟻酸、ホルムアルデヒド、メタノール、メタンである。メタン(CH)は蒸気圧が高く、液体原料である水への溶解度は低いため、前記中央ガス流中に移動しやすい。このように、生成した有機化合物が反応系内(液体原料の筒状液膜流中)から抜けることによって、一旦生成した有機化合物の光触媒による逆反応が防止されるので、蒸気圧が高い、または液体原料への溶解度が低い有機化合物を効率よく得ることが可能となる。 FIG. 2 is a diagram showing a reaction when water (H 2 O) is used as a liquid raw material. Organic compounds generated when water (H 2 O) is used as the liquid raw material are formic acid, formaldehyde, methanol, and methane. Methane (CH 4 ) has a high vapor pressure and low solubility in water, which is a liquid raw material, and therefore easily moves into the central gas stream. In this way, the generated organic compound escapes from the reaction system (in the cylindrical liquid film flow of the liquid raw material), so that the reverse reaction by the photocatalyst of the once generated organic compound is prevented, so that the vapor pressure is high, or An organic compound having low solubility in the liquid raw material can be obtained efficiently.

また、光触媒はその種類に応じて溶媒に対する親和性が異なる。例えば、前述の二酸化チタンは水系溶媒との親和性は高いが、疎水性有機溶媒に対して親和性が低い。このような性質の二酸化チタンを液体原料に分散させるバッチ式の場合には、該液体原料として光触媒に対して親和性の低い有機溶媒を使用することはできない。   In addition, the photocatalyst has different affinity for the solvent depending on the type. For example, the aforementioned titanium dioxide has a high affinity with an aqueous solvent, but has a low affinity with a hydrophobic organic solvent. In the case of a batch system in which titanium dioxide having such properties is dispersed in a liquid raw material, an organic solvent having a low affinity for the photocatalyst cannot be used as the liquid raw material.

本発明によれば、液体原料が光触媒に対して親和性の低い場合であっても、二酸化炭素による前記パイプフローを形成させることによって、その全量を光触媒の層の表面近傍に局在させた状態でマイクロ流路を通過させることが可能となり、光触媒と親和性の低い溶媒を反応媒体として用いた二酸化炭素の固定化も行うことができる。   According to the present invention, even when the liquid raw material has a low affinity for the photocatalyst, the total amount thereof is localized near the surface of the photocatalyst layer by forming the pipe flow with carbon dioxide. It is possible to pass through the microchannel, and carbon dioxide can be immobilized using a solvent having a low affinity for the photocatalyst as a reaction medium.

本発明の第2の態様に係る二酸化炭素の固定化装置は、第1の態様において、前記光触媒は二酸化チタンであることを特徴とするものである。   The carbon dioxide immobilization apparatus according to the second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the photocatalyst is titanium dioxide.

本発明によれば、二酸化チタンの高い光触媒活性を有する二酸化炭素の固定化装置とすることができる。二酸化チタンは、光触媒の層として設けた場合の透明性が高く、また耐久性に優れた光触媒であり、安定した光触媒活性を有している点で優れている。加えて、二酸化チタンの層の形成は容易であり、その原料も廉価であるため低コストで光触媒層を設けることができる。   According to this invention, it can be set as the fixing device of the carbon dioxide which has the high photocatalytic activity of titanium dioxide. Titanium dioxide is a photocatalyst that is highly transparent when provided as a photocatalyst layer and has excellent durability, and is excellent in that it has stable photocatalytic activity. In addition, it is easy to form a titanium dioxide layer, and since the raw material is inexpensive, a photocatalytic layer can be provided at low cost.

本発明の第3の態様に係る二酸化炭素の固定化装置は、第2の態様において、前記二酸化チタンに、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、白金、銅、銀、および金のいずれか1種の金属を助触媒として担持させたことを特徴とするものである。   In the carbon dioxide immobilization apparatus according to the third aspect of the present invention, in the second aspect, any one metal of ruthenium, rhodium, palladium, platinum, copper, silver, and gold is added to the titanium dioxide. It is characterized by being supported as a cocatalyst.

本発明によれば、二酸化チタンに担持させたルテニウム、ロジウム、パラジウム、白金、銅、銀、および金のいずれか1種の金属の助触媒作用によって、二酸化チタンの光触媒活性を更に高めることができる。   According to the present invention, the photocatalytic activity of titanium dioxide can be further enhanced by the promoter action of any one metal of ruthenium, rhodium, palladium, platinum, copper, silver, and gold supported on titanium dioxide. .

本発明の第4の態様に係る二酸化炭素の固定化方法は、マイクロ流路の内面に光触媒の層を有するマイクロ反応器の当該マイクロ流路に気体原料として二酸化炭素を、液体原料として前記二酸化炭素と反応して有機化合物を生成し得る原料を送り込み、マイクロ流路内で前記液体原料が該マイクロ流路の内面に沿って流れ、二酸化炭素が中央部を流れる状態のパイプフローを形成させて光触媒反応を進行させることにより二酸化炭素から前記有機化合物を生成させて二酸化炭素を固定化することを特徴とするものである。   In the method for immobilizing carbon dioxide according to the fourth aspect of the present invention, carbon dioxide is used as a gas source in the microchannel of a microreactor having a photocatalyst layer on the inner surface of the microchannel, and the carbon dioxide is used as a liquid source. A photocatalyst is formed by feeding a raw material capable of reacting with an organic compound to form an organic compound, forming a pipe flow in a state where the liquid raw material flows along the inner surface of the micro flow channel and carbon dioxide flows through the central portion in the micro flow channel The organic compound is produced from carbon dioxide by advancing the reaction to fix the carbon dioxide.

本発明によれば、反応原料のうち、気体原料である二酸化炭素を利用してパイプフローを形成させ、二酸化炭素が飽和状態で溶け込んだ液体原料を、強制的に光触媒の層の表面近傍に局在させてマイクロ流路を層流状態で通過させて、光触媒反応が行われる。すなわち、前記パイプフローの中央部を流れる二酸化炭素から前記マイクロ流路の内面に沿って流れる液体原料中に移行した二酸化炭素に対して、前記光触媒による還元反応を進行させ、該還元反応によって生成された二酸化炭素還元生成物として二酸化炭素を固定化することができる。   According to the present invention, among the reaction raw materials, carbon dioxide, which is a gaseous raw material, is used to form a pipe flow, and the liquid raw material in which carbon dioxide is dissolved in a saturated state is forcibly localized near the surface of the photocatalyst layer. The photocatalytic reaction is performed by passing through the microchannel in a laminar flow state. That is, the carbon dioxide that has migrated from the carbon dioxide flowing in the center of the pipe flow into the liquid raw material that flows along the inner surface of the micro-flow path is caused to proceed by a reduction reaction by the photocatalyst and is generated by the reduction reaction. Carbon dioxide can be immobilized as a carbon dioxide reduction product.

気体原料である二酸化炭素も光触媒層の近傍で液体原料と接触することになるので、液体原料中に溶け込んだ二酸化炭素が光触媒反応の進行よって消費されても、直ちに中央ガス流から二酸化炭素が液体原料中に溶け込み(補給され)、該液体原料中の二酸化炭素は、前記光触媒反応が進行してもその飽和濃度状態が維持される。したがって、前記液体原料中に溶解した二酸化炭素濃度を、前記マイクロ流路の全長に渡って光触媒層の近傍において常に飽和状態で一定に保つことが可能となり、当該光触媒反応の平衡を、二酸化炭素の還元反応が主体的に進み、二酸化炭素還元生成物の生成量が増える方向に保つことができる。最終的には二酸化炭素の飽和濃度に対応する二酸化炭素還元生成物の生成量になるまで増えて、該光触媒反応は平衡状態になる。
このように、マイクロ流路の全長において且つ光触媒層の近傍において二酸化炭素が飽和濃度にあることによって、当該光触媒反応による二酸化炭素還元生成物の生成量を、効果的に増やすことができる。すなわち、当該光触媒反応を高効率で進行させることができる。
Since carbon dioxide, which is a gaseous raw material, also comes into contact with the liquid raw material in the vicinity of the photocatalyst layer, even if the carbon dioxide dissolved in the liquid raw material is consumed as the photocatalytic reaction proceeds, the carbon dioxide immediately becomes liquid from the central gas stream. The carbon dioxide in the liquid raw material is dissolved (supplemented) in the raw material, and the saturated concentration state is maintained even if the photocatalytic reaction proceeds. Therefore, the concentration of carbon dioxide dissolved in the liquid raw material can be always kept constant in a saturated state in the vicinity of the photocatalyst layer over the entire length of the microchannel, and the equilibrium of the photocatalytic reaction can be maintained. The reduction reaction proceeds mainly, and the production amount of the carbon dioxide reduction product can be kept increasing. Eventually, the photocatalytic reaction reaches an equilibrium state by increasing the amount of carbon dioxide reduction product corresponding to the saturation concentration of carbon dioxide.
Thus, the amount of carbon dioxide reduction products generated by the photocatalytic reaction can be effectively increased by having the carbon dioxide at a saturated concentration in the entire length of the microchannel and in the vicinity of the photocatalyst layer. That is, the photocatalytic reaction can proceed with high efficiency.

更に、前記液体原料の筒状液膜流中で二酸化炭素と反応して生成した有機化合物のうち、蒸気圧が高い有機化合物は、前記パイプフローの中央ガス流中へと移動する。二酸化炭素と反応して生成した有機化合物が反応系内(液体原料の筒状液膜流中)から前記中央ガス流中に抜けることによって、一旦生成した有機化合物の光触媒による逆反応(酸化反応)が防止され、前記蒸気圧が高い有機化合物を効率よく得ることが可能となる。   Further, among the organic compounds produced by reacting with carbon dioxide in the cylindrical liquid film flow of the liquid raw material, the organic compound having a high vapor pressure moves into the central gas flow of the pipe flow. The organic compound produced by the reaction with carbon dioxide escapes from the reaction system (in the cylindrical liquid film flow of the liquid raw material) into the central gas flow, so that the reverse reaction (oxidation reaction) of the organic compound once produced by the photocatalyst Is prevented, and an organic compound having a high vapor pressure can be obtained efficiently.

本発明の第5の態様に係る二酸化炭素の固定化方法は、第4の態様において、前記液体原料は水であり、二酸化炭素還元生成物として蟻酸、ホルムアルデヒド、メタンのうち少なくとも1種の化合物を生成させることを特徴とするものである。
本発明によれば、二酸化炭素を、蟻酸、又はホルムアルデヒド、又はメタンとして固定することができる。
In the method for immobilizing carbon dioxide according to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect, the liquid raw material is water, and at least one compound of formic acid, formaldehyde, and methane is used as a carbon dioxide reduction product. It is made to generate.
According to the present invention, carbon dioxide can be fixed as formic acid, formaldehyde, or methane.

本発明の第6の態様に係る二酸化炭素の固定化方法は、前記第4の態様において、前記液体原料は水であり、二酸化炭素還元生成物としてメタノールを生成させることを特徴とする。   The carbon dioxide immobilization method according to a sixth aspect of the present invention is characterized in that, in the fourth aspect, the liquid raw material is water, and methanol is generated as a carbon dioxide reduction product.

本発明によれば、反応原料のうち、気体原料である二酸化炭素を利用してパイプフローを形成させ、有機化合物を生成し得る液体原料を、強制的に光触媒の層の表面近傍に局在させてマイクロ流路を層流状態で通過させることができる。更に、気体原料である二酸化炭素も光触媒層の近傍で液体原料と接触することになるので、液体原料中に溶け込んだ二酸化炭素が光触媒反応の進行よって消費されても、直ちに中央ガス流から二酸化炭素が液体原料中に溶け込み(補給され)、該液体原料中の二酸化炭素は、前記光触媒反応が進行してもその飽和濃度状態が維持される。これにより、当該光触媒反応による二酸化炭素還元生成物の生成量を、効果的に増やすことができる。すなわち、当該光触媒反応を高効率で進行させることができる効果が得られる。   According to the present invention, among the reaction raw materials, the carbon raw material, which is a gaseous raw material, is used to form a pipe flow, and the liquid raw material capable of generating an organic compound is forcibly localized near the surface of the photocatalyst layer. Thus, the microchannel can be passed in a laminar flow state. Furthermore, since carbon dioxide, which is a gaseous raw material, also comes into contact with the liquid raw material in the vicinity of the photocatalytic layer, even if carbon dioxide dissolved in the liquid raw material is consumed as the photocatalytic reaction proceeds, carbon dioxide is immediately extracted from the central gas stream. Is dissolved (supplemented) in the liquid raw material, and the carbon dioxide in the liquid raw material maintains its saturated concentration state even when the photocatalytic reaction proceeds. Thereby, the production amount of the carbon dioxide reduction product by the photocatalytic reaction can be effectively increased. That is, the effect that the photocatalytic reaction can be advanced with high efficiency is obtained.

このことによって、前記有機化合物を生成し得る液体原料を反応媒体として用いて、二酸化炭素から有機化合物を生成させる反応を高効率で行い、生成した有機化合物から更に光還元反応を行うことによって種々の二酸化炭素還元生成物として二酸化炭素を固定化することができる。   By using the liquid raw material which can produce | generate the said organic compound as a reaction medium by this, the reaction which produces | generates an organic compound from a carbon dioxide is performed with high efficiency, and various reduction | restoration reactions are performed by performing further photoreduction reaction from the produced | generated organic compound. Carbon dioxide can be immobilized as a carbon dioxide reduction product.

(実施例1)
本発明の実施形態の一例を図3〜図6を用いて説明する。
図3は、本実施例に係る二酸化炭素固定化装置を示す斜視図である。図4は、図3のI−I断面図である。図5は、図4のII−II断面のA部の拡大図であり、マイクロ流路中におけるパイプフロー状態を示す図である。図6は図4のIII−III断面図である。
Example 1
An example of an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is a perspective view showing the carbon dioxide immobilization apparatus according to the present embodiment. 4 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. FIG. 5 is an enlarged view of a portion A of the II-II cross section of FIG. 4 and shows a pipe flow state in the micro flow path. 6 is a sectional view taken along line III-III in FIG.

本実施例に係る二酸化炭素固定化装置1は、光透過性材料より成り、反応原料として気体原料と液体原料とが流通されるマイクロ流路4を有するマイクロ反応器10を備えている。前記マイクロ流路4を有するマイクロ反応器10は、例えば、マイクロ流路4を成す溝6(図6)が設けられたホウ珪酸ガラス、石英、アクリル樹脂等の光透過性材料で形成された基板2、および天板3を接合させることによって形成することができる。   The carbon dioxide immobilization apparatus 1 according to the present embodiment includes a microreactor 10 that is made of a light transmissive material and has a microchannel 4 through which a gas raw material and a liquid raw material are circulated as a reaction raw material. The microreactor 10 having the microchannel 4 is, for example, a substrate formed of a light-transmitting material such as borosilicate glass, quartz, and acrylic resin provided with a groove 6 (FIG. 6) forming the microchannel 4. 2 and the top plate 3 can be joined together.

前記基板2表面には、エッチング、または機械加工によって溝6が形成されている。前記溝6には、図6のように光触媒の層5が設けられている。本実施例においては、前記光触媒として二酸化チタン(TiO)が用いられる。該光触媒は勿論二酸化チタンに限定されない。更に、二酸化チタンに、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、プラチナ、銅、銀、金等の助触媒としての働きをする金属を担持させることによって、二酸化チタンの光触媒活性を更に高めることができる。また、可視光応答性光触媒を用いれば、光触媒の励起光源として太陽光を利用することが可能である。 Grooves 6 are formed on the surface of the substrate 2 by etching or machining. The groove 6 is provided with a photocatalyst layer 5 as shown in FIG. In this embodiment, titanium dioxide (TiO 2 ) is used as the photocatalyst. Of course, the photocatalyst is not limited to titanium dioxide. Furthermore, the titanium dioxide photocatalytic activity can be further enhanced by supporting a metal acting as a promoter such as ruthenium, rhodium, palladium, platinum, copper, silver, gold, etc. If a visible light responsive photocatalyst is used, it is possible to use sunlight as an excitation light source for the photocatalyst.

前記光触媒の層5が設けられた溝6を備えた基板2と天板3とを接合することによって、マイクロ流路4が形成される。マイクロ流路4の断面形状は特に限定されるものではなく、溝6の形状を変えることによって、例えば半円形、または、三角形に形成することができる。また、前記溝6を基板2と天板3の両方に設けることにより、円形、楕円形、五角形、その他の多角形等に形成することもできる。   The microchannel 4 is formed by joining the substrate 2 provided with the groove 6 provided with the photocatalyst layer 5 and the top plate 3. The cross-sectional shape of the microchannel 4 is not particularly limited, and can be formed into, for example, a semicircle or a triangle by changing the shape of the groove 6. Further, by providing the groove 6 in both the substrate 2 and the top plate 3, it can be formed into a circle, an ellipse, a pentagon, other polygons, or the like.

また、マイクロ流路4は、本実施例のように光触媒の層5が設けられた溝6を備えた基板2と天板3とを接合して形成されるものに限らず、断面円形または多角形のキャピラリーの内壁に光触媒を設けることによって形成することができる。   The microchannel 4 is not limited to the one formed by joining the substrate 2 provided with the groove 6 provided with the photocatalyst layer 5 and the top plate 3 as in the present embodiment, but has a circular cross section or a multi-section. It can be formed by providing a photocatalyst on the inner wall of a square capillary.

マイクロ流路4の流路径は10〜2000μmに構成することができ、50〜1000μmであると好ましく、100〜500μmであるとより好ましい。ここで、「マイクロ流路4の流路径」とは、反応流路のサイズを規定する長さであり、例えばマイクロ流路4の断面が四角形における短辺の長さ、円形における直径、楕円形における短直径を意味するものである。なお、断面四角形における長辺の長さ、断面楕円形における長直径の長さはマイクロ流路4全体に光が照射でき、反応器の機械的強度が保たれる範囲であれば特に制限されるものではなく、例えば長辺の長さ/短辺の長さ、長直径/短直径の比が1〜20程度となるように構成することができる。   The channel diameter of the microchannel 4 can be 10 to 2000 μm, preferably 50 to 1000 μm, and more preferably 100 to 500 μm. Here, the “channel diameter of the microchannel 4” is a length that defines the size of the reaction channel. For example, the cross section of the microchannel 4 has a short side length in a quadrangle, a diameter in a circle, and an elliptical shape. Means the short diameter. The length of the long side in the cross-sectional quadrangle and the length of the long diameter in the cross-sectional ellipse are particularly limited as long as the entire microchannel 4 can be irradiated with light and the mechanical strength of the reactor can be maintained. For example, the ratio of the length of the long side / the length of the short side and the ratio of the long diameter / short diameter may be about 1 to 20.

また、図6のように、天板3のマイクロ流路4の上面を成す部分には光触媒の層5を設けず、基板2の溝6の内面、すなわちマイクロ流路4の側壁面と底面にのみに光触媒が設けることによって、該天板3の上面から光触媒に効率よく光を照射することができる。このように、天板3の上面側から基板2の溝6内面に設けられた光触媒に対して光を照射する場合には、該天板3のみが透過性材料で形成されている構成とすることも可能である。   Further, as shown in FIG. 6, the photocatalyst layer 5 is not provided on the top plate 3 on the top surface of the microchannel 4, and the inner surface of the groove 6 of the substrate 2, that is, on the side wall surface and the bottom surface of the microchannel 4. By providing the photocatalyst only in this manner, the photocatalyst can be efficiently irradiated with light from the upper surface of the top 3. Thus, when irradiating light with respect to the photocatalyst provided in the groove | channel 6 inner surface of the board | substrate 2 from the upper surface side of the top plate 3, it is set as the structure by which only this top plate 3 is formed with the transparent material. It is also possible.

基板2に設けられた溝6の一端には、マイクロ流路4に原料を供給するための第1の供給口11が設けられている。また、天板3には、前記基板2と接合したときに、前記第1の供給口11とほぼ対向する位置に、第2の供給口12が設けられている。更に、前記天板3には、マイクロ流路4を通過した反応液が取り出される取り出し口13が設けられている。   A first supply port 11 for supplying the raw material to the micro flow path 4 is provided at one end of the groove 6 provided in the substrate 2. Further, the top plate 3 is provided with a second supply port 12 at a position substantially opposite to the first supply port 11 when bonded to the substrate 2. Further, the top plate 3 is provided with a takeout port 13 through which the reaction solution that has passed through the microchannel 4 is taken out.

前記第1の供給口11および前記第2の供給口12は、一方が気体原料である二酸化炭素の供給口として用いられ、もう一方が有機化合物を生成し得る液体原料の供給口として用いられる。本実施例では、第1の供給口11を二酸化炭素の供給口、第2の供給口12を有機化合物を生成し得る液体原料の供給口として説明する。   One of the first supply port 11 and the second supply port 12 is used as a supply port for carbon dioxide, which is a gaseous material, and the other is used as a supply port for a liquid material capable of generating an organic compound. In the present embodiment, the first supply port 11 is described as a carbon dioxide supply port, and the second supply port 12 is described as a liquid material supply port capable of generating an organic compound.

第1の供給口11および第2の供給口12にはチューブコネクタ18が設けられている。第1の供給口11はマイクロチューブ14を介して気体原料送り込み手段である気体原料用シリンジポンプ16に接続されており、第2の供給口12はマイクロチューブ15を介して液体原料送り込み手段である液体原料用シリンジポンプ17に接続されている。気体原料送り込み手段および液体原料送り込み手段としては、前記シリンジポンプの他、気体または液体の供給速度を調整することができる装置を用いることができる。   Tube connectors 18 are provided at the first supply port 11 and the second supply port 12. The first supply port 11 is connected to a gas raw material syringe pump 16 which is a gas raw material feed means via a microtube 14, and the second supply port 12 is a liquid raw material feed means via a microtube 15. The liquid source syringe pump 17 is connected. As the gas raw material feeding means and the liquid raw material feeding means, in addition to the syringe pump, a device capable of adjusting the gas or liquid supply speed can be used.

気体原料用シリンジポンプ16および液体原料用シリンジポンプ17によって、気体原料である二酸化炭素、および有機化合物を生成し得る液体原料の供給速度を調整し、前記液体原料がマイクロ流路4の内面に沿って流れ、二酸化炭素が中央部を流れる状態のパイプフローを形成可能に構成されている。マイクロ流路4を通過した反応液は、取り出し口13から取り出される。   The gas raw material syringe pump 16 and the liquid raw material syringe pump 17 adjust the supply speed of the liquid raw material capable of generating carbon dioxide, which is the gaseous raw material, and the organic compound, and the liquid raw material follows the inner surface of the microchannel 4. The pipe flow in a state where carbon dioxide flows through the central portion can be formed. The reaction solution that has passed through the microchannel 4 is taken out from the takeout port 13.

光反応を誘起するために光触媒の層5に光を照射するため、光源として紫外発光ダイオード19を用いた光照射装置8を用いることが望ましい。光照射装置8の光源として発光ダイオードを用いることによって、光触媒系マイクロ装置1の省スペース化と低フォトンコストを実現することができる。前記光照射装置8は、光が天板3の上面に設けられ、前記紫外発光ダイオード19がマイクロ流路4に沿って直列に並べられて配置されている。
尚、前記光触媒の層5に可視光応答性光触媒を用いた場合には、光触媒の励起光源として太陽光を利用することが可能であるため、光照射装置は不要である。
In order to irradiate the photocatalyst layer 5 with light in order to induce a photoreaction, it is desirable to use a light irradiation device 8 using an ultraviolet light emitting diode 19 as a light source. By using a light emitting diode as a light source of the light irradiation device 8, space saving and low photon cost of the photocatalytic micro device 1 can be realized. In the light irradiation device 8, light is provided on the top surface of the top plate 3, and the ultraviolet light emitting diodes 19 are arranged in series along the microchannel 4.
When a visible light responsive photocatalyst is used for the photocatalyst layer 5, sunlight can be used as an excitation light source for the photocatalyst, so that no light irradiation device is required.

図7は図6によって説明した光触媒の層5が設けられたマイクロ流路4の他の例である。すなわち、天板3のマイクロ流路4の上面を成す部分に光触媒の層5を形成し、マイクロ流路4全面に光触媒を設けることもできる。この場合には、該光触媒の層5は、光照射装置8によって照射される光を透過する程度に薄く形成されることが望ましい。このように、前記光触媒がマイクロ流路4の全面に設けられている場合には、基板2下面側に更に光照射装置(図示せず)を設け、マイクロ流路4の上面および下面から光が照射されるように構成することが好ましい。また、該光触媒をマイクロ流路4の全面に形成する場合には、当該光触媒の層5をスリット状に形成し、光照射装置8によって照射される光をマイクロ流路4内まで透過し易くすることもできる。   FIG. 7 shows another example of the microchannel 4 provided with the photocatalyst layer 5 described with reference to FIG. That is, the photocatalyst layer 5 can be formed on a portion of the top plate 3 that forms the upper surface of the microchannel 4, and the photocatalyst can be provided on the entire surface of the microchannel 4. In this case, the photocatalyst layer 5 is desirably formed thin enough to transmit the light irradiated by the light irradiation device 8. As described above, when the photocatalyst is provided on the entire surface of the microchannel 4, a light irradiation device (not shown) is further provided on the lower surface side of the substrate 2, and light is transmitted from the upper surface and the lower surface of the microchannel 4. It is preferable to be configured to be irradiated. Further, when the photocatalyst is formed on the entire surface of the microchannel 4, the photocatalyst layer 5 is formed in a slit shape so that the light irradiated by the light irradiation device 8 can be easily transmitted into the microchannel 4. You can also.

(実施例2)
次に、実施例1において説明した二酸化炭素固定化装置1による二酸化炭素の固定化反応について、二酸化炭素と反応して有機化合物を生成し得る液体原料として水(HO)を用いる場合について説明する。
(Example 2)
Next, the carbon dioxide immobilization reaction performed by the carbon dioxide immobilization apparatus 1 described in the first embodiment will be described in the case of using water (H 2 O) as a liquid raw material that can react with carbon dioxide to generate an organic compound. To do.

二酸化炭素固定化装置1の第1の供給口11からは、気体原料である二酸化炭素が導入される。第2の供給口12からは、二酸化炭素と反応して有機化合物を生成し得る液体原料として水が導入される。二酸化炭素および水の供給速度は、それぞれ気体原料用シリンジポンプ16および液体原料用シリンジポンプ17によって調整され、水がマイクロ流路4の内面に沿って流れる筒状液膜流と、二酸化炭素が中央部を流れる状態の中央ガス流からなるパイプフローを形成するように設定される。   Carbon dioxide, which is a gaseous raw material, is introduced from the first supply port 11 of the carbon dioxide fixing device 1. Water is introduced from the second supply port 12 as a liquid raw material that can react with carbon dioxide to produce an organic compound. The carbon dioxide and water supply rates are adjusted by the gas raw material syringe pump 16 and the liquid raw material syringe pump 17, respectively, and the cylindrical liquid film flow in which water flows along the inner surface of the microchannel 4 and the carbon dioxide in the center. It is set to form a pipe flow consisting of a central gas flow in a state of flowing through the section.

このように、液体原料である水に対し、気体原料である二酸化炭素でパイプフローを形成させることによって、二酸化炭素が飽和状態で溶け込んだ水を強制的に光触媒の層5の表面近傍に局在させてマイクロ流路4を層流状態で通過させて、光触媒反応を行うことができる。   Thus, by forming a pipe flow with carbon dioxide, which is a gaseous raw material, with respect to water, which is a liquid raw material, water in which carbon dioxide is dissolved in a saturated state is forcibly localized near the surface of the photocatalyst layer 5. Thus, the photocatalytic reaction can be performed by passing the microchannel 4 in a laminar flow state.

更に、二酸化炭素が光触媒の層5の近傍で水と接触することになるので、水中に溶け込んだ二酸化炭素が光触媒反応の進行よって消費されても、常に前記中央ガス流から二酸化炭素が供給され続ける。したがって、前記水の筒状液膜流中に溶解した二酸化炭素濃度を、マイクロ流路4の全長に渡って常に飽和状態で一定に保つことが可能となり、当該光触媒反応を高効率で進行させることができる。   Furthermore, since carbon dioxide comes into contact with water in the vicinity of the photocatalyst layer 5, even if carbon dioxide dissolved in water is consumed as the photocatalytic reaction proceeds, carbon dioxide is always supplied from the central gas stream. . Therefore, the concentration of carbon dioxide dissolved in the cylindrical liquid film flow of water can always be kept constant in a saturated state over the entire length of the microchannel 4, and the photocatalytic reaction can proceed with high efficiency. Can do.

[二酸化炭素をパイプフローでメタノールとして固定化した具体例]
用いた二酸化炭素固定化装置1は、マイクロ流路4の深さが40μm、幅が100μm、長さが200mmであり、紫外発光ダイオード19の主波長は365nm、出力は450mWである。液体原料は純水を用いた。また、光触媒として、二酸化チタン(TiO)と、助触媒として白金を担持させた二酸化チタン(TiO/Pt)の2種類について行った。
[Specific example of fixing carbon dioxide as methanol by pipe flow]
In the carbon dioxide immobilization apparatus 1 used, the depth of the microchannel 4 is 40 μm, the width is 100 μm, the length is 200 mm, the main wavelength of the ultraviolet light emitting diode 19 is 365 nm, and the output is 450 mW. Pure water was used as the liquid raw material. Further, as a photocatalyst, and titanium dioxide (TiO 2), it was performed on two types of titanium dioxide of carrying platinum as a cocatalyst (TiO 2 / Pt).

純水の流速を10μL/min(マイクロリットル/分)に設定し、二酸化炭素の流速を調整して、前記マイクロ流路4内において、図1に示すようなパイプフローを形成させ、前記紫外発光ダイオード19による光照射を行った。二酸化炭素の流速(μL/min)を、0(パイプフローを形成しない流れ)、50、100、150、200に設定し、取り出し口13から取り出したそれぞれの反応物をガスクロマトグラフィーに供し、生成物メタノールの生成量(濃度mM)を測定した。   The flow rate of pure water is set to 10 μL / min (microliter / minute), the flow rate of carbon dioxide is adjusted to form a pipe flow as shown in FIG. Light irradiation by the diode 19 was performed. The flow rate of carbon dioxide (μL / min) is set to 0 (flow that does not form a pipe flow), 50, 100, 150, and 200, and each reaction product taken out from the take-out port 13 is subjected to gas chromatography and generated. The amount of methanol produced (concentration mM) was measured.

図8は、前記測定結果を示したものである。横軸は二酸化炭素の流速(μL/min)、縦軸はメタノールの収率(濃度mM)である。ところで、液体の流速(μL/min)を一定のままでパイプフローを形成すると、気体の流速が速くなると液膜の厚みは小さくなる。従って、パイプフローにおいては、気体の流速が速くなるにつれて液体のマイクロ流路内での滞留時間が次第に短くなる関係にある。   FIG. 8 shows the measurement results. The horizontal axis represents the flow rate of carbon dioxide (μL / min), and the vertical axis represents the yield of methanol (concentration mM). By the way, if the pipe flow is formed with the liquid flow rate (μL / min) kept constant, the liquid film thickness decreases as the gas flow rate increases. Therefore, in the pipe flow, there is a relationship that the residence time of the liquid in the micro-channel gradually becomes shorter as the gas flow rate becomes faster.

図9は前記滞留時間の長短の差の影響が出ないようにするために、単位時間当たりの生成量にして表したものである。すなわち、図9においては、横軸は二酸化炭素の流速(μl/min)、縦軸は単位時間当たりのメタノール収率(mM/sec)として表した。
図9から、パイプフローを形成して当該光触媒反応を進行させることにより、単位時間当たりのメタノールの収率が高くなり、効率よく反応が行われていることが理解できる。すなわち、当該光触媒反応によるメタノールの生成量を、効果的に増やすことができた。
FIG. 9 shows the production amount per unit time so as not to be affected by the difference in length of the residence time. That is, in FIG. 9, the horizontal axis represents the flow rate of carbon dioxide (μl / min), and the vertical axis represents the methanol yield per unit time (mM / sec).
From FIG. 9, it can be understood that, by forming a pipe flow and advancing the photocatalytic reaction, the yield of methanol per unit time is increased and the reaction is efficiently performed. That is, the amount of methanol produced by the photocatalytic reaction could be effectively increased.

反応液のマイクロ流路内への滞留時間は、LEVYによるパイプフローの気液間運動量交換のモデルを用いて計算することができる。この計算によると、二酸化炭素の流速が0である場合の反応液のマイクロ流路内での滞留時間は26.3秒、二酸化炭素の流速が50μL/minである場合は9.3秒、100μL/minでは5.3秒、150μL/minでは4.1秒、200μL/minでは3.6秒である。   The residence time of the reaction liquid in the micro flow path can be calculated using a model for exchanging momentum between gas and liquid in the pipe flow by LEVY. According to this calculation, when the flow rate of carbon dioxide is 0, the residence time of the reaction solution in the microchannel is 26.3 seconds, and when the flow rate of carbon dioxide is 50 μL / min, 9.3 seconds and 100 μL. It is 5.3 seconds at / min, 4.1 seconds at 150 μL / min, and 3.6 seconds at 200 μL / min.

[パイプフローと助触媒の効果との関係]
次に、前記メタノール生成の光触媒反応を、パイプフローを形成して進行させることにより、助触媒の効果が薄れること、即ちパイプフローは助触媒による触媒活性の向上を代替できる可能性があることについて説明する。
[Relationship between pipe flow and cocatalyst effect]
Next, the photocatalytic reaction of methanol generation proceeds by forming a pipe flow, so that the effect of the cocatalyst is diminished, that is, the pipe flow may replace the improvement of the catalytic activity by the cocatalyst. explain.

図10は、図9においてパイプフローを形成していない二酸化炭素の流速が0の部分を除外し、該図9を、縦軸を白金助触媒を用いた場合(TiO/Pt)の白金助触媒を用いない場合(TiO)に対する収率の比に変えて書き直したものである。すなわち、縦軸は助触媒の効果を示している。図10には、助触媒の効果は最大で1.2倍程度であることが示されている。 FIG. 10 excludes the portion where the flow rate of carbon dioxide that does not form a pipe flow in FIG. 9 is 0, and FIG. 9 shows the platinum support when the platinum promoter is used on the vertical axis (TiO 2 / Pt). It is rewritten in place of the yield ratio with respect to the case where no catalyst is used (TiO 2 ). That is, the vertical axis shows the effect of the promoter. FIG. 10 shows that the effect of the promoter is about 1.2 times at the maximum.

一方、表1は、気体を注入せず、即ちパイプフローを形成しないで、二酸化炭素が飽和した純水のみをマイクロ流路に供給して光触媒反応を進行させ、各触媒に対してメタノールの収率(濃度mM)を測定した結果を示したものである。参考に、バッチ式反応装置の測定結果を併記した。   On the other hand, Table 1 shows that no pure gas saturated with carbon dioxide is supplied to the micro flow path without injecting gas, that is, without forming a pipe flow, and the photocatalytic reaction proceeds to collect methanol for each catalyst. The result of measuring the rate (concentration mM) is shown. For reference, the measurement results of the batch reactor were also shown.

Figure 0005131920
Figure 0005131920

表1において、白金助触媒を用いた場合(TiO/Pt)の収率は2.4mMであり、一方、白金助触媒を用いない場合(TiO)の収率は0.09mMであり、助触媒の効果は20倍以上になっている。 In Table 1, when the platinum promoter is used (TiO 2 / Pt), the yield is 2.4 mM, while when the platinum promoter is not used (TiO 2 ), the yield is 0.09 mM. The effect of the cocatalyst is more than 20 times.

以上から、パイプフローを形成した場合の助触媒の効果は「1.2倍程度」であり、パイプフローを形成しない場合の助触媒の効果「20倍以上」に比べて格段に小さくなっていることが言える。すなわち、パイプフローは助触媒による触媒活性の向上を代替できる可能性があると言える。   From the above, the effect of the cocatalyst when the pipe flow is formed is “about 1.2 times”, which is much smaller than the effect of the cocatalyst when the pipe flow is not formed “more than 20 times”. I can say that. That is, it can be said that the pipe flow can replace the improvement of the catalytic activity by the cocatalyst.

尚、図8及び図9において、二酸化炭素の流速が50μL/minのところは、パイプフローが完全な形態にはならず、気体と液体が交互に流れるスラグフローの状態になっている。このスラグフロー部分では、白金助触媒を用いた場合(TiO/Pt)の収率は白金助触媒を用いない場合(TiO)の収率より低くなっており、助触媒が触媒活性に対してマイナスの作用をしている結果になっている。その理由は定かでないが、スラグフローがこのような結果をもたらしているものと考えられる。 8 and 9, when the flow rate of carbon dioxide is 50 μL / min, the pipe flow is not in a complete form, and is in a slag flow state in which gas and liquid alternately flow. In this slag flow part, the yield when using the platinum promoter (TiO 2 / Pt) is lower than the yield when not using the platinum promoter (TiO 2 ). The result is a negative effect. The reason for this is not clear, but slag flow is thought to have brought about such a result.

ここで、光触媒反応は逆反応を伴う反応であるため、二酸化炭素と反応して生成した蟻酸、ホルムアルデヒド、メタノール、およびメタンが反応系内(水の筒状液膜流中)に存在すると、還元反応の逆反応である酸化反応により、それらが二酸化炭素に戻る反応が起こる。しかし、前記パイプフローが形成されていると、前記水中で二酸化炭素と反応して生成した蟻酸、ホルムアルデヒド、メタノール、およびメタンのうち、蒸気圧が高く、液体原料である水への溶解度が低いメタンは前記パイプフローの中央ガス流中へと移動しやすい。   Here, since the photocatalytic reaction is a reaction accompanied by a reverse reaction, if formic acid, formaldehyde, methanol, and methane generated by reaction with carbon dioxide are present in the reaction system (in a cylindrical liquid film flow of water), reduction occurs. An oxidation reaction, which is the reverse reaction of the reaction, causes a reaction in which they return to carbon dioxide. However, when the pipe flow is formed, among the formic acid, formaldehyde, methanol, and methane produced by reacting with carbon dioxide in the water, methane has a high vapor pressure and low solubility in water as a liquid raw material. Tends to move into the central gas stream of the pipe flow.

このように、生成したメタンが反応系内(水の筒状液膜流中)から中央ガス流中へと抜けることによって、一旦生成したメタンの光触媒による逆反応が防止され、蒸気圧が高いメタンを効率よく得ることが可能となる。   In this way, the produced methane escapes from the reaction system (in the cylindrical liquid film flow of water) into the central gas flow, so that the reverse reaction by the photocatalyst of the produced methane is prevented, and the methane having a high vapor pressure. Can be obtained efficiently.

また、生成したメタノールは水への溶解度が高いので水の筒状液膜流中に残り易く、生成物として水中から取り出されるが、蒸気圧も高いので中央ガス流中へも移動し、前述のメタンの場合と同様に中央ガス流中に移動したメタノール分については前記逆反応が防止され、該メタノールが高効率に生成され得る。   In addition, since the produced methanol has high solubility in water, it tends to remain in the cylindrical liquid film flow of water and is taken out from the water as a product, but also moves into the central gas flow because of its high vapor pressure, and the aforementioned As in the case of methane, the reverse reaction is prevented for the methanol component that has moved into the central gas stream, and the methanol can be produced with high efficiency.

本発明は、光触媒を用いた二酸化炭素の固定化装置および二酸化炭素の固定化方法として有効である。   The present invention is effective as a carbon dioxide immobilization apparatus and a carbon dioxide immobilization method using a photocatalyst.

本発明に係る二酸化炭素固定化装置における反応を説明する図である。It is a figure explaining reaction in the carbon dioxide immobilization device concerning the present invention. 本発明に係る二酸化炭素固定化装置にいて、液体原料として水を用いた場合の反応を説明する図である。It is a figure explaining the reaction at the time of using the water source as a liquid raw material in the carbon dioxide fixing device which concerns on this invention. 実施例1に係る二酸化炭素固定化装置を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a carbon dioxide immobilization device according to Example 1. FIG. 図3のI−I断面図である。It is II sectional drawing of FIG. 図4のII−II断面のA部の拡大図であり、マイクロ流路中におけるパイプフロー状態を示す図である。It is an enlarged view of the A section of the II-II section of Drawing 4, and is a figure showing the pipe flow state in a micro channel. 図4のIII−III断面図である。It is III-III sectional drawing of FIG. 光触媒の層が設けられたマイクロ流路の他の例である。It is another example of the microchannel provided with the layer of the photocatalyst. 二酸化炭素の流速(μL/min)に対するメタノールの収率(濃度mM)の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the yield (concentration mM) of methanol with respect to the flow rate (microliter / min) of a carbon dioxide. 図8を、液体のマイクロ流路内での滞留時間の長短の差の影響が出ないようにするために、縦軸を単位時間当たりの生成量にして書き直した図である。FIG. 8 is a diagram obtained by rewriting FIG. 8 by setting the vertical axis as the generation amount per unit time so as not to be affected by the difference in length of the residence time in the liquid microchannel. 図9においてパイプフローを形成していない二酸化炭素の流速が0の部分を除外して、縦軸を白金助触媒を用いた場合(TiO/Pt)の白金助触媒を用いない場合(TiO)に対する収率の比に変えて書き直した図である。In FIG. 9, when the flow rate of carbon dioxide that does not form a pipe flow is excluded, the vertical axis represents the case where the platinum promoter is used (TiO 2 / Pt) and the platinum promoter is not used (TiO 2 It is a figure rewritten by changing the ratio of the yield to).

符号の説明Explanation of symbols

1 二酸化炭素固定化装置、 2 基板、 3 天板、
4 マイクロ流路、 5 光触媒層、 6 溝、
8 光照射装置、 10 マイクロ反応器、
11 第1の供給口(二酸化炭素の供給口)、
12 第2の供給口(液体原料の供給口)、
13 取り出し口、 14、15 マイクロチューブ、
16 気体原料用シリンジポンプ(気体原料送り込み手段)、
17 液体原料用シリンジポンプ(液体原料送り込み手段)、
18 チューブコネクタ、 19 紫外発光ダイオード
1 carbon dioxide fixing device, 2 substrate, 3 top plate,
4 microchannels, 5 photocatalyst layers, 6 grooves,
8 light irradiation device, 10 microreactor,
11 First supply port (carbon dioxide supply port),
12 Second supply port (liquid material supply port),
13 outlet, 14, 15 microtube,
16 Syringe pump for gas raw material (gas raw material feeding means),
17 Liquid raw material syringe pump (liquid raw material feeding means),
18 Tube connector, 19 UV light emitting diode

Claims (6)

反応原料として気体原料と液体原料とが流通されるマイクロ流路を有するマイクロ反応器と、
前記マイクロ流路に気体原料を送り込む気体原料送り込み手段と、
前記マイクロ流路に液体原料を送り込む液体原料送り込み手段と、
前記マイクロ流路の内面に設けられた光触媒の層と、を備え、
前記気体原料は二酸化炭素であり、前記液体原料は二酸化炭素と反応して有機化合物を生成し得る原料であり、
前記気体原料送り込み手段および液体原料送り込み手段は、前記液体原料が前記マイクロ流路の内面に沿って流れ、二酸化炭素が中央部を流れる状態のパイプフローを形成可能に構成されていることを特徴とする、二酸化炭素の固定化装置。
A microreactor having a microchannel through which a gas raw material and a liquid raw material are circulated as a reaction raw material;
Gaseous raw material feeding means for feeding the gaseous raw material into the microchannel;
Liquid raw material feeding means for feeding the liquid raw material into the microchannel;
A photocatalyst layer provided on the inner surface of the microchannel,
The gaseous raw material is carbon dioxide, and the liquid raw material is a raw material that can react with carbon dioxide to produce an organic compound,
The gaseous raw material feeding means and the liquid raw material feeding means are configured to be capable of forming a pipe flow in which the liquid raw material flows along the inner surface of the microchannel and carbon dioxide flows through the central portion. Carbon dioxide immobilization device.
請求項1に記載された二酸化炭素の固定化装置において、前記光触媒は二酸化チタンであることを特徴とする、二酸化炭素の固定化装置。   2. The carbon dioxide immobilization apparatus according to claim 1, wherein the photocatalyst is titanium dioxide. 請求項2に記載された二酸化炭素の固定化装置において、前記二酸化チタンに、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、白金、銅、銀、および金のいずれか1種の金属を助触媒として担持させたことを特徴とする、二酸化炭素の固定化装置。   3. The carbon dioxide immobilization apparatus according to claim 2, wherein any one of ruthenium, rhodium, palladium, platinum, copper, silver, and gold is supported on the titanium dioxide as a promoter. A carbon dioxide immobilization device that is characterized. マイクロ流路の内面に光触媒の層を有するマイクロ反応器の当該マイクロ流路に気体原料として二酸化炭素を、液体原料として前記二酸化炭素と反応して有機化合物を生成し得る原料を送り込み、
マイクロ流路内で前記液体原料が該マイクロ流路の内面に沿って流れ、二酸化炭素が中央部を流れる状態のパイプフローを形成させて光触媒反応を進行させることにより二酸化炭素から前記有機化合物を生成させて二酸化炭素を固定化することを特徴とする二酸化炭素の固定化方法。
Carbon dioxide as a gas raw material is fed into the microchannel of the microreactor having a photocatalyst layer on the inner surface of the microchannel, and a raw material that can react with the carbon dioxide as a liquid raw material to generate an organic compound,
The liquid raw material flows along the inner surface of the microchannel in the microchannel, and the organic compound is generated from the carbon dioxide by forming a pipe flow in a state where the carbon dioxide flows through the central portion to advance the photocatalytic reaction. And immobilizing carbon dioxide to fix the carbon dioxide.
請求項4に記載された二酸化炭素の固定化方法において、前記液体原料は水であり、二酸化炭素還元生成物として蟻酸、ホルムアルデヒド、メタンのうち少なくとも1種の化合物を生成させることを特徴とする、二酸化炭素の固定化方法。   The method for immobilizing carbon dioxide according to claim 4, wherein the liquid raw material is water, and at least one compound of formic acid, formaldehyde, and methane is produced as a carbon dioxide reduction product. Carbon dioxide immobilization method. 請求項4に記載された二酸化炭素の固定化方法において、前記液体原料は水であり、二酸化炭素還元生成物としてメタノールを生成させることを特徴とする、二酸化炭素の固定化方法。
5. The carbon dioxide immobilization method according to claim 4, wherein the liquid raw material is water, and methanol is generated as a carbon dioxide reduction product.
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